Los láseres en cascada entre bandas (ICL) son un tipo de diodo láser que puede producir radiación coherente en una gran parte de la región del infrarrojo medio del espectro electromagnético . Se fabrican a partir de heteroestructuras semiconductoras de crecimiento epitaxial compuestas por capas de arseniuro de indio (InAs), antimonuro de galio (GaSb), antimonuro de aluminio (AlSb) y aleaciones relacionadas. Estos láseres son similares a los láseres de cascada cuántica (QCL) en varios aspectos. Al igual que las QCL, las ICL emplean el concepto de ingeniería de estructura de bandas para lograr un diseño láser optimizado y reutilización inyectada.electrones para emitir múltiples fotones. Sin embargo, en las ICL, los fotones se generan con transiciones entre bandas , en lugar de las transiciones entre subbandas utilizadas en las QCL. En consecuencia, la velocidad a la que las portadoras inyectadas en la subbanda de láser superior se relajan térmicamente en la subbanda inferior se determina mediante recombinación interbanda de portadora Auger, radiativa y Shockley-Read . Estos procesos ocurren típicamente en una escala de tiempo mucho más lenta que las interacciones longitudinales de fonones ópticos que median la relajación entre subbandas de electrones inyectados en QCL de IR medio. El uso de transiciones entre bandas permite que la acción del láser en ICL se logre con potencias de entrada eléctricas más bajas de lo que es posible con QCL.
El concepto básico de un ICL fue propuesto por Rui Q. Yang en 1994. [1] La idea clave que tuvo fue que la incorporación de una heteroestructura de tipo II similar a las utilizadas en los diodos de efecto túnel resonantes interbanda facilitaría la posibilidad de láseres en cascada. que utilizan transiciones entre bandas para la generación de fotones. Yang y sus colaboradores en varias instituciones, así como grupos en el Laboratorio de Investigación Naval y otras instituciones, llevaron a cabo mejoras adicionales en el diseño y desarrollo de la tecnología . Las ICL que emiten láser en modo de onda continua (cw) a temperatura ambiente se demostraron por primera vez en 2008. Este láser tenía una longitud de onda de emisión de 3,75 μm. [2] Posteriormente, se demostró el funcionamiento en cw de las ICL a temperatura ambiente con longitudes de onda de emisión que oscilan entre 2,9 μm y 5,7 μm. [3] Se han demostrado ICL a temperaturas más frías con longitudes de onda de emisión entre 2,7 μm y 11,2 μm. [4] Las ICL que operan en modo cw a temperatura ambiente son capaces de alcanzar potencias de entrada mucho más bajas que las tecnologías de láser semiconductor de infrarrojos medios de la competencia. [5]
teoría de operación
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En un láser de múltiples pozos cuánticos estándar , los pozos cuánticos activos utilizados para generar fotones están conectados en paralelo. En consecuencia, se requiere una gran corriente para reponer cada pozo activo con electrones a medida que emite luz. En un láser en cascada, los pozos están conectados en serie, lo que significa que el voltaje es mayor pero la corriente es menor. Esta compensación es beneficiosa porque la potencia de entrada disipada por la resistencia en serie del dispositivo , R s , es igual a I 2 R s , donde I es la corriente eléctrica que fluye a través del dispositivo. Por lo tanto, la corriente más baja en un láser en cascada da como resultado una menor pérdida de energía de la resistencia en serie del dispositivo. Sin embargo, los dispositivos con más etapas tienden a tener un peor rendimiento térmico, ya que se genera más calor en ubicaciones más alejadas del disipador de calor . El número óptimo de etapas depende de la longitud de onda, el material utilizado y varios otros factores. La optimización de este número está guiada por simulaciones, pero finalmente se determina empíricamente mediante el estudio del rendimiento del láser experimental.
Las ICL se fabrican a partir de heteroestructuras semiconductoras cultivadas mediante epitaxia de haz molecular (MBE). Los materiales utilizados en la estructura son InAs, GaSb, AlSb y aleaciones relacionadas. Estos tres materiales binarios están muy estrechamente emparejados con parámetros de red cercanos a 6,1 Å. Por tanto, estos materiales pueden incorporarse juntos en la misma heteroestructura sin introducir una cantidad significativa de tensión . El crecimiento de MBE se realiza normalmente en un sustrato de GaSb o InAs.
Toda la estructura epitaxial consta de varias etapas en cascada que se intercalan entre dos capas de confinamiento separadas (SCL), con otros materiales que encierran las SCL para proporcionar un revestimiento óptico . Además de producir luz, la estructura epitaxial en capas también debe actuar como una guía de ondas para que las etapas en cascada amplifiquen los modos ópticos guiados.
Diseño de escenario en cascada
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En cada etapa de cascada, las capas delgadas de InAs actúan como capas de pozos cuánticos confinados (QW) para electrones y barreras para huecos . Las capas de GaSb (o GaInSb) actúan a la inversa como QW para huecos y barreras para electrones, mientras que las capas de AlSb sirven como barreras tanto para electrones como para huecos. La característica clave que permite la realización de la conexión en cascada dentro de un diodo interbanda es la alineación de banda denominada "tipo II" o de intervalo roto entre InAs y GaSb. Mientras que en la clase más habitual de QW de tipo I, tanto los electrones como los huecos están confinados dentro de la misma capa de material, el sistema InAs-GaSb es de tipo II porque el mínimo de la banda de conducción de InAs se encuentra a una energía menor que el máximo de la banda de valencia. de GaSb. Esta disposición menos común facilita la reinyección de electrones de la banda de valencia de una etapa de la ICL en la banda de conducción de la siguiente etapa mediante una simple dispersión elástica .
Cada etapa en cascada actúa efectivamente como un generador de fotones individual. Una sola etapa se compone de un inyector de electrones, un inyector de orificios y una región de ganancia activa que consta de un QW de orificio y uno o dos QW de electrones. [6] Cuando el dispositivo está polarizado, el exceso de electrones y huecos se genera y fluye hacia la región activa , donde se recombinan y emiten luz. Para minimizar las pérdidas ópticas en la interfaz semimetálica que forma el límite entre los inyectores de electrones y huecos, se coloca una capa de AlSb entre las capas de InAs y GaSb para evitar la reabsorción entre bandas de los fotones generados.
Una región activa típica emplea la denominada configuración de pozo cuántico "W". En este diseño, el agujero QW de GaInSb se intercala entre dos QW de electrones de InAs, que a su vez están rodeados por dos capas de barrera de AlSb. Esta disposición maximiza la ganancia óptica aumentando la superposición espacial entre las funciones de onda del electrón y del hueco que están nominalmente separadas en diferentes capas. La longitud de onda láser, determinada por la banda prohibida creada entre el electrón del estado fundamental y los niveles de energía del agujero, se puede variar simplemente cambiando el grosor QW del electrón InAs (mientras que es mucho menos sensible al grosor QW del agujero).
Las dos regiones del inyector están diseñadas para transferir de manera eficiente sus portadores homónimos (electrones o huecos) desde la interfaz semimetálica a la región activa. También deben funcionar como barreras rectificadoras para el tipo opuesto de portador a fin de evitar corrientes de fuga entre etapas. El inyector total (inyector de electrones más inyector de orificio) también debe ser lo suficientemente grueso en general para evitar que los campos eléctricos que se forman bajo polarización se vuelvan lo suficientemente grandes como para inducir la ruptura dieléctrica del material. El inyector de electrones generalmente se hace más largo debido a la velocidad de dispersión entre pozos relativamente rápida de los electrones en comparación con la de los orificios. Esto asegura una contribución de resistencia en serie más pequeña del transporte total del inyector. El inyector de pozo está compuesto por pozos cuánticos de GaSb / AlSb. Se hace lo suficientemente grueso (generalmente con solo uno o dos pozos) para garantizar la supresión efectiva del túnel de electrones desde la región activa hasta el inyector de electrones de la siguiente etapa. El inyector de electrones normalmente consta de una serie más larga de pozos cuánticos de InAs / AlSb. Para maximizar el ancho de la minibanda de superrejilla de InAs / AlSb, los espesores de la capa de InAs se varían a lo largo del inyector para que sus energías de estado fundamental casi se alineen cuando el dispositivo está polarizado. Las brechas de energía de los pozos cuánticos en el inyector deben ser lo suficientemente grandes como para evitar la reabsorción de los fotones generados por los pozos cuánticos activos.
Una característica adicional que diferencia al ICL de todos los demás diodos láser es su capacidad para funcionar con bombeo eléctrico sin una unión pn . Esto es posible porque los inyectores funcionan como barreras rectificadoras que mantienen la corriente fluyendo en una sola dirección. No obstante, es muy ventajoso dopar ciertas capas en cada etapa de cascada como un medio para controlar las densidades de huecos y electrones activos, mediante una técnica de diseño llamada "reequilibrio de portadores". [5] Si bien la combinación más favorable de poblaciones de electrones y huecos depende de las fuerzas relativas de varios procesos de absorción de portadores libres y recombinación Auger, los estudios realizados hasta ahora indican que el rendimiento de ICL es óptimo cuando en el umbral las dos concentraciones son aproximadamente iguales. [5] Dado que la población de huecos tiende a exceder sustancialmente la población de electrones en ICL no dopadas o moderadamente dopadas, el reequilibrio de portadores se logra dopando fuertemente el inyector de electrones (normalmente con Si ) para agregar electrones a las QW activas.
Guía de onda óptica
La ganancia dentro de una guía de ondas dada requerida para alcanzar el umbral de láser viene dada por la ecuación:
donde α wg es la pérdida de la guía de ondas, α mirr es la pérdida del espejo y Γ es el factor de confinamiento óptico. La pérdida del espejo se debe a que los fotones se escapan a través de los espejos del resonador óptico . Las pérdidas de la guía de ondas pueden deberse a la absorción en el confinamiento separado activo, los materiales de revestimiento óptico y los contactos metálicos (si los revestimientos no son lo suficientemente gruesos), o el resultado de la dispersión en las paredes laterales de la cresta. El factor de confinamiento es el porcentaje de energía óptica concentrada en las etapas en cascada. Al igual que con otros láseres semiconductores, los ICL tienen una compensación entre la pérdida óptica en la guía de ondas y Γ. El objetivo general del diseño de guías de ondas es encontrar la estructura adecuada que minimice la ganancia de umbral.
La elección del material de la guía de ondas depende del sustrato utilizado. Para ICL cultivadas en GaSb, las capas de confinamiento separadas son típicamente bajas dopados-GaSb mientras que las capas de revestimiento ópticos son InAs / ALSB superredes celosía acertaron al sustrato GaSb. El revestimiento inferior debe ser bastante grueso para evitar fugas del modo guiado en el sustrato, ya que el índice de refracción de GaSb (aproximadamente 3,8) es mayor que el índice efectivo del modo láser (normalmente 3,4-3,6).
Una configuración de guía de ondas alternativa que es adecuada para el crecimiento en sustratos de InAs utiliza InAs altamente dopados en n para el revestimiento óptico. [7] La alta densidad de electrones en esta capa reduce el índice de refracción de acuerdo con el modelo Drude . En este enfoque, la estructura epitaxial se hace crecer sobre un sustrato de InAs de tipo n y también utiliza InAs para las capas de confinamiento separadas. Para una operación de longitud de onda más larga, las ventajas incluyen la conductividad térmica mucho más alta de los InAs a granel en comparación con una superrejilla de InAs / AlSb de período corto, así como una capa de revestimiento mucho más delgada debido a su mayor índice de contraste con la región activa. Esto acorta el tiempo de crecimiento de MBE y también mejora aún más la disipación térmica. Sin embargo, la guía de ondas debe diseñarse con cuidado para evitar una pérdida excesiva por absorción de portador libre en las capas muy dopadas.
Estado actual del desempeño de ICL
Las ICL que emiten a 3,7 um han funcionado en modo cw hasta una temperatura máxima de 118 ° C. [8] [9] Se ha demostrado una potencia de salida máxima de cw de casi 0,5 W a temperatura ambiente, con 200-300 mW en un haz casi limitado por difracción . También se ha logrado una eficiencia máxima de enchufe de pared cw a temperatura ambiente de casi el 15%. Mientras que las QCL normalmente requieren potencias eléctricas de entrada de casi 1 W o más para funcionar a temperatura ambiente, las ICL pueden funcionar con potencias de entrada tan bajas como 29 mW debido a la vida útil mucho más larga de la portadora interbanda. [5] La operación de cw a temperatura ambiente con bajas potencias disipadas se puede lograr para longitudes de onda entre aproximadamente 3,0 um y 5,6 um. [3]
La figura de la derecha muestra las características de rendimiento de láseres en cascada interbanda de guía de ondas de cresta estrecha a temperatura ambiente que funcionan en modo cw. [8] Específicamente, la figura muestra gráficos de la cantidad de energía emitida por láseres con diferentes anchos de cresta para una determinada corriente de inyección. Cada uno de estos láseres tenía cinco etapas en cascada y longitudes de cavidad de 4 mm. Estos láseres se montaron de modo que la parte superior de la estructura epitaxial (en lugar del sustrato) estuviera en contacto con el disipador de calor de cobre (normalmente denominado configuración del lado epitaxial hacia abajo) para lograr una disipación de calor óptima. Además, se fabricaron con paredes laterales onduladas. La ondulación de la pared lateral reduce las pérdidas ópticas al garantizar que se generen menos fotones en los modos ópticos de orden superior que son más susceptibles a las pérdidas por dispersión óptica.
Aplicaciones
Los láseres de infrarrojo medio son herramientas importantes para las aplicaciones de detección espectroscópica . Muchas moléculas , como las de la contaminación y los gases de efecto invernadero, tienen fuertes resonancias rotacionales y vibratorias en la región del infrarrojo medio del espectro. Para la mayoría de las aplicaciones de detección, la longitud de onda del láser también debe estar dentro de una de las ventanas atmosféricas para evitar la atenuación de la señal.
Un requisito importante para este tipo de aplicación es que se obtenga una emisión monomodo. Con las ICL, esto se puede hacer haciendo láseres de retroalimentación distribuida . Un ICL de retroalimentación distribuida, [10] diseñado para la excitación de gas metano , fue desarrollado en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA e incluido como un instrumento en el espectrómetro láser sintonizable en el rover Curiosity que fue enviado para explorar el entorno de Marte. Una ICL de retroalimentación distribuida más reciente emitía hasta 27 mW en un modo espectral único a 3,79 μm cuando se operaba a 40 ° C y 1 mW para operar a 80 ° C. [11]
Referencias
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enlaces externos
- Página web del Jet Propulsion Lab sobre espectrómetro láser sintonizable para la misión Mars Science
Ver también
- Láser
- Diodo láser
- Láser de cascada cuántica
- Espectroscopia de absorción de láser de diodo sintonizable